毛景暉

(廣東華迪工程管理有限公司,廣州 510600)

0 引 言

隨著城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)與利用,城市地下工程不斷涌現(xiàn),深基坑工程也得到大量修建。在實(shí)際工程建設(shè)過程中,由于各種因素的影響,基坑產(chǎn)生嚴(yán)重變形的現(xiàn)象層出不窮,給工程的安全穩(wěn)定性造成極大威脅。因此,對基坑工程變形和內(nèi)力變化進(jìn)行監(jiān)測與分析,是保障工程建設(shè)質(zhì)量和安全的基礎(chǔ)。

目前,許多學(xué)者對基坑工程中的變形和內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究。朱煒強(qiáng)等[1]結(jié)合勘察報(bào)告和剖面圖等材料中的參數(shù),利用MiDAS XD軟件建立有限元模型,分析了基坑開挖、混凝土澆筑及拆換撐過程中的內(nèi)力和位移變化,并模擬了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和位移情況,為項(xiàng)目的正常開展提供了參考。何平等[2]采用ABAQUS建立彈性地基梁模型,研究了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化規(guī)律,結(jié)果表明,三軸固結(jié)不排水條件下,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化最小。李鏡培等[3]以極限平衡法為理論基礎(chǔ),建立了能同時(shí)考慮滲流條件變化和臨近基坑施工下的土壓力理論計(jì)算模型,并利用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建模型的有效性與合理性。冷伍明等[4]基于實(shí)測數(shù)據(jù)和三維有限元仿真模擬,研究了工程樁對基坑變形和地連墻內(nèi)力的影響機(jī)制,主要針對工程樁布設(shè)間距、樁長、樁徑等變量展開了分析與討論。肖景平等[5]于某地基坑布置多個(gè)測點(diǎn),基于實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),對該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多處變形與內(nèi)力進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,葫蘆形地連墻相較于圓形地連墻更易滿足設(shè)計(jì)中對內(nèi)力與變形的要求。

上述文獻(xiàn)主要針對基坑的內(nèi)力與變形方面開展了相關(guān)研究,但對于圓形深基坑的變形與內(nèi)力變化規(guī)律分析還未多見。因此,本文在已有研究基礎(chǔ)上,依托某引水工程中的基坑實(shí)測數(shù)據(jù),對該圓形深基坑施工過程中的變形與內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 基坑工程概況

本文依托國內(nèi)某地引水工程中的基坑工程。根據(jù)工程實(shí)地勘察報(bào)告,基坑工程施工深度范圍內(nèi),主要包括黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、素填土等土層。該基坑施工深度58.3m,采用直徑8m的圓形結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑圍護(hù),地下連續(xù)墻厚度1m,內(nèi)襯墻采用厚度1m、直徑7m的圓形結(jié)構(gòu)。整個(gè)圓形接收井基槽分兩期施工,采用銑接方式開展接頭工作。

整個(gè)基坑的施工過程分階段開展。第一階段主要針對40m范圍以內(nèi)的深度,每開挖5m左右的深度后,需對地連墻同步進(jìn)行鑿毛與種筋處理,以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固,此外還需及時(shí)對該段底部及上部進(jìn)行內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的施工。第二階段主要針對40～55m范圍以內(nèi)的深度,每開挖3.5m左右的深度后,進(jìn)行一次內(nèi)部襯砌,與第一階段的局部順做不同,第二階段采用全逆作法進(jìn)行施工。第三階段主要針對55～58.3m范圍以內(nèi)的深度,此階段已接近目標(biāo)深度,除了機(jī)械挖土,在目標(biāo)深度以上3cm左右的范圍內(nèi),應(yīng)采用人工挖掘的方式進(jìn)行土方挖除,以免造成超挖?；邮┕ね瓿珊?及時(shí)封閉底板并處理渣土。

2 測點(diǎn)布置方案

為了對基坑施工過程中的變形與內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行分析,在多處關(guān)鍵部位,如基坑周邊地表、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及地連墻等處埋設(shè)傳感器,以監(jiān)測基坑周圍土體的沉降變形情況、地連墻及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化情況。圖1為坑周地表測點(diǎn)布置圖。在相互垂直且經(jīng)過基坑圓心的兩條垂直線上,距離基坑外圍0、8、24、48m處分別布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),共計(jì)16處。

在地連墻鋼筋籠的主筋位置,分別布設(shè)PVC測斜管,以監(jiān)測地連墻橫向位移。PVC測斜管是一種常用的地下工程監(jiān)測儀器,也叫“測斜孔管”或“傾斜孔管”,具有良好的耐腐蝕性、耐酸堿能力和密封性能,一般安裝在地下或結(jié)構(gòu)內(nèi)部,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測地面或結(jié)構(gòu)物的傾斜情況,從而為工程管理和維護(hù)提供精確、及時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。此外,在地連墻鋼筋籠的主筋位置,另外埋設(shè)豎向與橫向鋼筋計(jì),以監(jiān)測地連墻鋼筋內(nèi)力的變化,鋼筋計(jì)布設(shè)間距由淺入深,逐漸減小。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 坑周地表縱向變形分析

基坑開挖至不同深度時(shí),距基坑外邊緣不同距離地表的縱向變形變化曲線見圖2。由圖2可以看出,所有測點(diǎn)產(chǎn)生的縱向變形值基本為正值,表明整個(gè)施工過程中地表以凸起變形為主。隨著距基坑外邊緣距離的不斷增大,坑周地表縱向變形數(shù)值整體呈下降趨勢。離基坑外邊緣最遠(yuǎn)的測點(diǎn)距其48m,由圖2可知,開挖至不同深度時(shí),該測點(diǎn)縱向變形值均小于1mm,表明基坑施工對48m及其以外范圍的土層影響較小,可忽略不計(jì)?；拥拈_挖過程對地連墻頂部的縱向變形影響程度最大,當(dāng)基坑開挖深度10m時(shí),地連墻頂部縱向凸起0.12mm;在開挖至40m深度后,則快速增至2.76mm;此后增長速率放緩,在開挖至50m時(shí),達(dá)到最大值2.85mm。

圖2 不同開挖深度下坑周地表縱向變形曲線

圖3、圖4分別為坑周1號(hào)測點(diǎn)和13號(hào)測點(diǎn)的地表縱向變形歷時(shí)曲線。可以看出,這兩處測點(diǎn)的地表縱向變形均隨著施工過程的進(jìn)展,整體呈現(xiàn)先凸起后沉降的現(xiàn)象,且沉降時(shí)間點(diǎn)均發(fā)生在160天左右,這可能是由于開挖后期地質(zhì)條件、材料特性以及工程施工等因素導(dǎo)致的。

圖3 測點(diǎn)1#地表縱向變形歷時(shí)曲線

圖4 測點(diǎn)13#地表縱向變形歷時(shí)曲線

3.2 地連墻橫向變形分析

基坑開挖至不同深度時(shí),不同深度處地連墻橫向變形曲線見圖5。其中,正值表示地連墻向基坑圓心方向發(fā)生收縮變形;負(fù)值表示地連墻向背離基坑圓心方向發(fā)生擴(kuò)張變形?？梢钥闯?在開挖至20m深度前,地連墻橫向變形數(shù)值為正值,表明此階段地連墻整體發(fā)生向基坑方向移動(dòng)的趨勢。當(dāng)開挖深度大于20m后,淺層區(qū)域尤其是地連墻頂部橫向變形數(shù)值變?yōu)樨?fù)值,且快速減小,表明此階段地連墻淺層區(qū)域變形方向發(fā)生變化。這可能是由于基坑周邊的土體對地連墻產(chǎn)生的約束力較弱所導(dǎo)致的,且土體深度越淺,該約束力越弱,因此地連墻頂部產(chǎn)生的橫向變形最大。

圖5 不同開挖深度下地連墻橫向變形曲線

3.3 地連墻鋼筋內(nèi)力分析

圖6為不同深度處地連墻橫向鋼筋計(jì)內(nèi)力隨著施工歷時(shí)的變化曲線?？梢钥闯?不同深度處地連墻橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力值基本保持正值,表明地連墻始終朝向基坑圓心方向受拉,這與3.2一節(jié)地連墻保持向心內(nèi)凹的狀態(tài)相符。圖6中虛線上方數(shù)值表示開挖深度,由圖6可知,在基坑還未開挖至20m深度前,3處測點(diǎn)橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力均保持持續(xù)增長的趨勢,且距離開挖面越近的測點(diǎn)鋼筋計(jì)應(yīng)力增長速率越快。當(dāng)開挖面到達(dá)測點(diǎn)附近后,橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力開始下降,這可能是由于內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分荷載所導(dǎo)致的。隨著開挖過程的持續(xù)進(jìn)展,深度25m處測點(diǎn)的橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力值開始急速增長;開挖至35m時(shí),升至其應(yīng)力峰值11.68MPa;開挖35～40m的過程中,又迅速下降至2.12MPa。觀察較深土層的測點(diǎn),在基坑開挖后期,其橫向鋼筋計(jì)的應(yīng)力值雖有增長,但增長速率較小。這可能是由于上部鋼筋橫向應(yīng)力減小,導(dǎo)致下部鋼筋橫向應(yīng)力上升,其間發(fā)生了內(nèi)力遷移。

圖6 地連墻不同深度橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力變化曲線

圖7為不同深度處地連墻縱向鋼筋計(jì)內(nèi)力隨著施工歷時(shí)的變化曲線?？梢钥闯?不同深度處地連墻縱向鋼筋計(jì)的應(yīng)力值基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)殡S著基坑內(nèi)部土方的挖除,坑周土體的壓力逐漸轉(zhuǎn)移到地連墻及其內(nèi)部鋼筋上,導(dǎo)致地連墻縱向鋼筋計(jì)的應(yīng)力不斷上升,當(dāng)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工完成后,由于其可承擔(dān)部分荷載,于是地連墻縱向鋼筋計(jì)的應(yīng)力開始下降。在基坑施工前期,由圖7可以觀察到,不同深度處地連墻縱向鋼筋計(jì)的應(yīng)力值均為正值,表明地連墻在此階段朝向基坑圓心方向受拉,這與3.2一節(jié)地連墻保持向心內(nèi)凹的狀態(tài)相符。到施工后期,25m深度處測點(diǎn)的地連墻縱向鋼筋計(jì)應(yīng)力值開始變?yōu)樨?fù)值,并不斷下降,表明施工后期淺層區(qū)域地連墻由朝向基坑圓心方向受拉狀態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)離基坑圓心方向受壓,這與3.2一節(jié)淺層地連墻由向心內(nèi)凹變?yōu)殡x心外凸的過程相符。這可能是由于基坑周邊土體對地連墻產(chǎn)生的約束力較弱所導(dǎo)致的,且土體越淺,該約束力越弱,因此地連墻頂部所產(chǎn)生的應(yīng)力最大。在實(shí)際基坑工程中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地連墻淺層尤其是頂部區(qū)域的加固。

圖7 地連墻不同深度縱向鋼筋計(jì)應(yīng)力變化曲線

4 結(jié) 論

本文基于某引水工程基坑的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),對基坑施工過程中產(chǎn)生的變形和內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:

1)坑周地表縱向變形隨著施工過程的進(jìn)展,整體呈現(xiàn)先凸起后沉降的現(xiàn)象。距離施工中心地帶越遠(yuǎn),縱向變形的影響程度越小。

2)開挖至20m深度前,地連墻整體產(chǎn)生向基坑內(nèi)移動(dòng)的變形。開挖深度大于20m后,地連墻淺層區(qū)域橫向變形數(shù)值變?yōu)樨?fù)值,且快速減小,地連墻淺層區(qū)域產(chǎn)生向基坑外移動(dòng)的變形。

3)不同深度處地連墻鋼筋的縱向應(yīng)力值,基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在基坑施工前期,不同深度處地連墻縱向鋼筋計(jì)的應(yīng)力值均為正值,地連墻朝向基坑圓心方向受拉;施工后期,淺層區(qū)域地連墻鋼筋的縱向應(yīng)力值開始變?yōu)樨?fù)值,并不斷下降,地連墻淺層區(qū)域由朝向基坑圓心方向受拉的狀態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)離基坑圓心方向受壓。

4)地連墻頂部所產(chǎn)生的變形與內(nèi)力最大,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地連墻淺層尤其是頂部區(qū)域的加固。